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      基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計

      2023-12-29 02:54:48徐承亮
      信息記錄材料 2023年11期
      關(guān)鍵詞:自動門手動運作

      徐承亮

      (江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 無錫 214400)

      0 引言

      近幾年,隨著自控技術(shù)的崛起與發(fā)展,如可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)、變頻器、傳感器等,自控技術(shù)成為人們?nèi)粘I畹闹匾?,自動門控制系統(tǒng)也是結(jié)合應(yīng)用變頻器與可編程控制器技術(shù)實現(xiàn)的,能夠適用于不同功能與不同類型的自動門控制系統(tǒng),使得自動門控制更智能化[1-2]。 本研究設(shè)計的基于PLC 的自動門控制系統(tǒng),能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)自動門開關(guān)門控制的不足,解決安裝麻煩、需接觸式操作、維修工作量大、工作可靠性低、故障排查不便等問題。

      1 自動門的功能分析

      本研究設(shè)計的自動門控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于商場出入口等位置,此類地點要求自動門控制系統(tǒng)具有相對較高的穩(wěn)定性與安全性,且便于開展后期的維修與維護(hù)工作[3]。對此,確定基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)需要具備以下幾項基本功能。

      1.1 工作模式設(shè)置

      為了保證基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)具有良好的操作性,要求自動門控制系統(tǒng)需要具備自動與手動2 種工作模式,其中,在手動工作模式下,可以利用開關(guān)動作對自動門的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制[4]。 在自動工作模式下,自動門可以利用傳感器發(fā)出檢測信號,控制自動門的開關(guān)狀態(tài),如果有人靠近自動門時,傳感器在檢測到相關(guān)信號后,會將之及時傳遞給PLC,由PLC 發(fā)出對應(yīng)的開門指令,同時,人在離開自動門的數(shù)秒后,自動門會自動關(guān)閉。

      1.2 緊急停止功能配置

      為了確保安全,自動門控制系統(tǒng)應(yīng)配置緊急停止功能。 一種常見的做法是設(shè)置一個緊急停止按鈕,當(dāng)出現(xiàn)緊急情況或自動門系統(tǒng)突發(fā)故障時,操作人員可以迅速按下緊急停止按鈕,以實現(xiàn)對自動門的即時控制。 按下緊急停止按鈕后,系統(tǒng)會立即停止自動門的運行,無論當(dāng)前是開啟還是關(guān)閉狀態(tài),這樣可以有效避免潛在的危險,并保護(hù)用戶的安全。 緊急停止按鈕應(yīng)設(shè)置在易于操作和識別的位置,以便操作人員在緊急情況下能夠快速找到并按下按鈕,同時,系統(tǒng)還應(yīng)具備恢復(fù)功能,一旦解除緊急停止?fàn)顟B(tài),自動門可以恢復(fù)正常運行。 通過配置緊急停止功能,自動門控制系統(tǒng)能夠及時應(yīng)對緊急情況,保障人員和設(shè)備的安全。 基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的主要組成部分為:PLC、感應(yīng)器件、傳動裝置、驅(qū)動裝置、自動門。

      2 自動門的工藝流程

      其中自動化運作模式是通過PLC 程序控制自動門的開啟和關(guān)閉,自動感應(yīng)人員或車輛的接近并做出相應(yīng)的反應(yīng),手動運作模式是通過手動開關(guān)或遙控器控制自動門的開啟和關(guān)閉。 2 種模式可以根據(jù)實際需求進(jìn)行切換,以提供更大的靈活性和便利性,具體的輸入輸出端地址分配可參考表1。

      表1 控制系統(tǒng)輸入輸出端地址分配表

      通過這種基于PLC 的自動門控制系統(tǒng),可以實現(xiàn)自動門的高效、安全和可靠的運行,提供更好的使用體驗和便利性,自動門工藝流程具體包括。

      (1)自動門開啟工藝流程

      一般情況下,在自動化運作模式下,自動門能夠自動探測出周圍環(huán)境信號,并根據(jù)控制系統(tǒng)確定是否開啟自動門,以及應(yīng)以何種方式開啟自動門[5]。 如果自動門出現(xiàn)故障后,便可由操作人員將之轉(zhuǎn)換到手動運作模式,確保能夠應(yīng)急使用自動門。 自動門控制系統(tǒng)的光電檢測傳感器組包括SQ1、SQ2 與SQ3,如果有人需要通過自動門,對應(yīng)的傳感器會及時接收到信號,并結(jié)合人員分布信息,確定自動門開啟幅度與時間,在HL1 與KA1 通電的情況下開始執(zhí)行自動門開啟動作。 此時,電動機(jī)的正轉(zhuǎn)速度加快,驅(qū)動打開自動門,并顯示綠色指示燈亮。 如果單獨接通SQ1,自動門打開到SQ4 的最小開度后停止;如果同時接通SQ2 與SQ1,自動門打開到SQ4 的最小開度時,標(biāo)記為出現(xiàn)首次減速,即電動機(jī)的運轉(zhuǎn)速度開始降低,并在打開到SQ5 后,停止開度限位開關(guān);如果接通SQ1、SQ2 與SQ3,自動門打開到SQ4 最小開度時,代表進(jìn)入首次減速模式,電動機(jī)的運轉(zhuǎn)速度開始降低,并以中速模式運行,打開到SQ5 后,代表進(jìn)入二次減速模式,即電動機(jī)的運轉(zhuǎn)速度再次降低,直到打開到SQ6 的最大開度時,代表自動門進(jìn)入最大開門限位,隨之電動機(jī)停止運行。

      (2)自動門關(guān)閉工藝流程

      在電動機(jī)停止正向運轉(zhuǎn)后,代表自動門1 個單獨的打開過程已經(jīng)結(jié)束,程序預(yù)先設(shè)定自動門的自動等待時間為10 s,在達(dá)到時間后,確認(rèn)沒有其他人經(jīng)過自動門,則自動門會自動進(jìn)入關(guān)門流程。 在HL2 與KA2 通電后便可執(zhí)行自動門關(guān)門流程,在關(guān)閉自動門的運行階段,電動機(jī)的運轉(zhuǎn)速度較低,反驅(qū)動自動門關(guān)閉,且在此時黃色關(guān)門指示燈為閃爍狀態(tài),在自動門運行到SQ7 時,代表已經(jīng)達(dá)到關(guān)門極限,自動門電動機(jī)自動停止,且不再運行。 在關(guān)閉自動門的過程中,光電檢測傳感器組如果接收到有人接近自動門后,KA2 會自動斷電,自動門電動機(jī)反轉(zhuǎn)運行停止,自動門的自動關(guān)門動作也會自動停止2 s,并重新檢測是否有其他人通過自動門。 如果自動門檢測到仍有人通過,那么會自動轉(zhuǎn)入自動開門工藝流程,如果自動門未能檢測到有人通過,那么自動門會自動停止10 s,之后轉(zhuǎn)入自動門控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的自動關(guān)門工藝流程。

      (3)自動門自動停歇工藝流程

      在自動門自動停歇10 s 的期間內(nèi),光電檢測傳感器組自動檢測與接收信號,并重新開始10 s 計時,確保如果有人需要通過自動門,則人能夠安全通過。 同時,如果光電檢測傳感器組檢測的信號處于始終不消失的情況,自動門控制系統(tǒng)的定時器也會始終處于循環(huán)定時狀態(tài),直至光電檢測傳感器組檢測的信號消失,才會再次進(jìn)入自動關(guān)閉自動門的工藝流程。 如果自動門出現(xiàn)緊急情況HL3 亮起,操作人員可根據(jù)實際情況按下緊急停止按鈕,自動門的整個控制流程會自動停止,并等待手動操作運行指令。在自動門控制系統(tǒng)自動運作模式下,停止按鈕與啟動按鈕均有效,而在手動運作模式下,手動關(guān)門測試按鈕與手動關(guān)門測試按鈕均有效。

      3 自動門的系統(tǒng)設(shè)計

      基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)由軟件與硬件組成,軟件部分主要包括:監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件和PLC 程序,硬件部分主要包括:驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、感應(yīng)裝置、門體等,同時還對其通信、安裝與調(diào)試進(jìn)行了設(shè)計。

      3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

      根據(jù)基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計要求,結(jié)合PLC 自動門控制系統(tǒng)的工藝流程分析,確定本研究的自動門數(shù)字量輸入15 個點數(shù)、輸出10 個點數(shù),PLC 通過輸出開關(guān)數(shù)字量,對變頻器進(jìn)行控制,并利用多段頻率對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動調(diào)節(jié),由此驅(qū)動裝置也能夠驅(qū)動自動門變速運行。 為了能夠保證基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)硬件設(shè)施具有實用性與經(jīng)濟(jì)性,且便于日后維修與保養(yǎng),本研究認(rèn)為基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)可選擇FX3U-32 ME/ES 超小型PLC,將之作為主要控制單元,采用繼電器輸出方式,輸入端應(yīng)用24 VDC 的直流電源,供電依托100~240 VAC 的交流電源。 同時,變頻器選擇高性能且小型的FRE540 型號,其功率在0.4 ~7.5 kW 范圍內(nèi),供電依托380 V 交流電源,該設(shè)備具有操作簡便、頻率設(shè)置操作方便的優(yōu)勢,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作與模擬量控制。

      3.2 系統(tǒng)通信設(shè)計

      自動門控制系統(tǒng)的通信接口電路采用4 點繼電器實現(xiàn),其中輸入端由PLC 控制的I 輸出信號進(jìn)行控制。 輸出口共有5 根線連接,包括1 根公共端和4 根信號線。 這5根線將指示信號輸入到PLC 的輸入端,然后通過PLC 對自動門進(jìn)行控制。 通過這種設(shè)計,PLC 可以根據(jù)輸入信號的狀態(tài)來判斷自動門的開啟或關(guān)閉,并通過控制繼電器進(jìn)行相應(yīng)的操作。 這樣的通信接口電路能夠?qū)崿F(xiàn)自動門的準(zhǔn)確控制,提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

      3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

      在設(shè)計基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)軟件時,以自動門控制系統(tǒng)的工藝流程為主要依據(jù),并利用順控指令梯形圖實現(xiàn)程序編寫,軟件程序主要包括:自動控制流程、手動控制流程、故障判斷流程、主流程等[6-7]。 主流程的功能為安全監(jiān)測與實現(xiàn)系統(tǒng)初始化,如果自動門控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障,自動門可由自動運作模式轉(zhuǎn)入手動運作模式,并根據(jù)提示進(jìn)行相關(guān)處理,確認(rèn)控制系統(tǒng)的故障。 如果自動門控制系統(tǒng)并未出現(xiàn)任何故障,則自動判定運作模式,且在滿足手動運作模式條件后進(jìn)入手動運作控制流程,而如果SA1(模式)顯示為ON(自動),則自動門控制系統(tǒng)進(jìn)入自動運行模式,運行條件為“SQ1+SQ+SQ3”,如果符合此項條件,則基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)會進(jìn)入開門準(zhǔn)備階段,反之,則會進(jìn)入自動門關(guān)門準(zhǔn)備階段。 基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的控制流程關(guān)鍵為PLC 實時采集是否已經(jīng)到達(dá)限位的信息,將數(shù)字量輸出結(jié)果反饋給多段速與正反轉(zhuǎn)等控制端子,驅(qū)動自動門控制系統(tǒng)的電動機(jī)啟動相關(guān)動作。 另外,在基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)運行過程中,不斷判斷是否碰到障礙物與是否有人需要通過的信號,如果信號判斷結(jié)果顯示為真,則自動門立即停止運行,且進(jìn)入相關(guān)的開門工藝流程[8]。

      在基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)軟件程序流程圖中,如果自動門控制系統(tǒng)的自動運作模式達(dá)到限位開關(guān)位置,那么限位開關(guān)會自動向PLC 發(fā)出信號,PLC 發(fā)出電動機(jī)運轉(zhuǎn)停止的相關(guān)指令,便可實現(xiàn)基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的運作位置處于可控且安全的范圍內(nèi)[9]。 在自動運作模式下,完成自動門開門動作后的10 s 為停歇時間,如果在此期間有人出門或是進(jìn)門,那么基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)會重新啟動延時動作,且之前的10 s 停歇運作不生效,由此也能夠保證基于PLC 的自動門的運行具有可靠性與安全性。

      3.4 安裝要求設(shè)計

      在安裝基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)時,所用的電動機(jī)力線與電源線的線徑應(yīng)大于1.5 mm2,且以銅芯護(hù)套電纜為主,其他控制線為銅芯電纜,線徑大于0.5 mm2.。 在基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)中,可編程控制器PLC 屬于核心部分,為實現(xiàn)不斷循環(huán),PLC 應(yīng)用順序掃描方式,在掃描過程中PLC 輸入采樣、啟動相關(guān)程序、刷新輸出數(shù)字量[10]。 另外,基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)以變頻器作為核心部件,三相異步電動機(jī)為開啟與關(guān)閉自動的主要動力,且變頻器還能夠控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的導(dǎo)向系統(tǒng)用于避免門扇搖動,為精準(zhǔn)定位功能與系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供輔助。

      3.5 系統(tǒng)運行測試

      在調(diào)試基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的過程中,如果出現(xiàn)控制器與其他硬件以及控制器與傳感器之間的連接問題,那么需要綜合判斷與分析軟件部分與硬件部分。 一般情況下,需要由基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)調(diào)試人員觀察監(jiān)視程序的運行情況,并根據(jù)觀察結(jié)果作出判斷,如果發(fā)現(xiàn)試運行程序出現(xiàn)問題,則需要采取優(yōu)化調(diào)整與適當(dāng)修改的方法[11-12]。 之后,對自動門控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行調(diào)整與檢查,包括:PLC 是否能夠及時且準(zhǔn)確地接收到采樣信號、是否精準(zhǔn)安裝了相關(guān)傳感器、信號的抗干擾與衰減是否符合基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等。

      4 結(jié)語

      隨著自控技術(shù)的不斷發(fā)展與更新,尤其是電氣控制技術(shù)的興起與發(fā)展,自動門在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,自動門控制技術(shù)也更加成熟。 基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)所具備的無接觸控制方式,不但具有不需要專門操作人員直接進(jìn)行操作的優(yōu)勢,還能夠提高自動門控制系統(tǒng)的智能性,讓人們切實感受到自控技術(shù)發(fā)展帶來的便捷性與安全性。 同時不可否認(rèn)的是,越來越多應(yīng)用場景對自動門控制系統(tǒng)安全性與可靠性提出更高的要求,本研究設(shè)計的基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于商場等場景,其具有更高的智能性,且本研究對自動門的硬件、軟件、通信、安裝、調(diào)試都進(jìn)行了設(shè)計,對于自動門的推廣應(yīng)用具有一定的價值。

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